A fusão nuclear — o processo que alimenta as estrelas — há muito tempo cativa a imaginação de cientistas, engenheiros e especialistas em energia.

Diferentemente da fissão nuclear, que envolve a divisão de átomos pesados ​​e resulta em resíduos radioativos e problemas de segurança, a fusão une núcleos leves, como isótopos de hidrogênio, para formar elementos mais pesados, liberando grandes quantidades de energia no processo.

Com resíduos radioativos mínimos , nenhuma emissão de carbono e combustível praticamente ilimitado, a fusão representa uma fonte potencialmente transformadora de energia limpa.

À medida que o mundo corre para enfrentar os desafios duplos das mudanças climáticas e da crescente demanda por energia, a energia de fusão não é mais um sonho distante, mas um campo em rápido avanço pronto para remodelar nosso cenário energético.

A jornada histórica da energia de fusão

A história da energia de fusão começa com a nossa compreensão das estrelas. Na década de 1920, o astrofísico britânico Arthur Eddington propôs que as estrelas, incluindo o nosso Sol, derivam sua imensa energia da fusão de hidrogênio em hélio . Essa hipótese foi confirmada décadas depois, quando Hans Bethe publicou um artigo inovador em 1939, detalhando os processos nucleares que alimentam as estrelas.

Após a Segunda Guerra Mundial, a corrida armamentista e a rivalidade da Guerra Fria impulsionaram investimentos significativos em pesquisa nuclear, incluindo a fusão. Inicialmente motivados pelo potencial de armas termonucleares potentes, os pesquisadores logo voltaram sua atenção para aplicações pacíficas.

A União Soviética desenvolveu um dispositivo toroidal (em forma de rosquinha) chamado tokamak na década de 1950. O tokamak, que usa campos magnéticos para confinar plasma, continua sendo o conceito de fusão mais promissor até hoje.

Progressos significativos foram alcançados nas décadas seguintes. Em 1997, o Joint European Torus (JET), no Reino Unido, produziu um recorde de 16 megawatts de energia de fusão. Mais recentemente, em 2022, a National Ignition Facility (NIF) dos Estados Unidos atingiu um marco importante ao produzir mais energia a partir de uma reação de fusão do que a usada para iniciá-la.

Este momento histórico de “ponto de equilíbrio científico” marcou a primeira vez que um experimento de fusão produziu um ganho líquido de energia na própria reação, gerando imenso entusiasmo e renovado investimento global em tecnologia de fusão.

A ciência da energia de fusão

Em sua essência, a fusão nuclear é o processo de combinar dois núcleos atômicos leves em um núcleo mais pesado. Esse processo libera energia porque a massa do núcleo resultante é ligeiramente menor que a soma de suas partes. Essa massa perdida é convertida em energia, conforme descrito pela equação de Einstein, E = mc ² .

A reação mais promissora para a geração prática de energia na Terra envolve deutério e trítio , ambos isótopos de hidrogênio. Quando esses dois núcleos se fundem, produzem um núcleo de hélio e um nêutron de alta energia, liberando 17,6 milhões de elétron-volts (MeV) de energia. O deutério está prontamente disponível na água do mar, enquanto o trítio, embora raro, pode ser obtido a partir do lítio dentro do reator de fusão.

Alcançar um ciclo de geração de trítio autossuficiente é um grande desafio de engenharia, exigindo sistemas de manta sofisticados que convertam lítio em trítio usando os nêutrons emitidos. O manuseio seguro do trítio também é complexo devido à sua radioatividade e meia-vida curta.

A energia liberada na fusão é transportada principalmente por nêutrons. Essas partículas de alta energia transferem sua energia para um sistema de refrigeração ou manta circundante, normalmente utilizando materiais como água ou hélio. O calor absorvido é então usado para gerar vapor, que aciona turbinas conectadas a geradores elétricos – semelhante ao funcionamento de usinas termelétricas convencionais.

Alcançar a fusão na Terra é extremamente desafiador. Os núcleos de hidrogênio precisam ser aproximados o suficiente para superar sua repulsão eletrostática natural. Isso requer temperaturas superiores a 100 milhões de graus Celsius – mais quentes que o núcleo do Sol.

A tais temperaturas, o gás hidrogênio se transforma em plasma, um estado da matéria em que elétrons são arrancados dos átomos. Conter esse plasma ultraaquecido é um dos principais obstáculos tecnológicos da energia de fusão.

Tecnologias de fusão e projetos de reatores

Diversas abordagens foram desenvolvidas para alcançar e sustentar reações de fusão. A mais madura e amplamente estudada é a fusão por confinamento magnético, particularmente em tokamaks. Essas máquinas utilizam campos magnéticos potentes para confinar o plasma em uma câmara toroidal, permitindo que as condições necessárias para a fusão sejam mantidas por tempo suficiente para que a energia seja extraída.

Outro conceito de confinamento magnético é o stellarator , que torce a câmara toroidal em um formato helicoidal. Este projeto oferece a vantagem de operação em estado estacionário sem a necessidade de corrente elétrica interna para manter a estabilidade do plasma. O Wendelstein 7-X da Alemanha é atualmente o stellarator mais avançado em operação.

Em contraste com o confinamento magnético, a fusão por confinamento inercial (ICF) utiliza lasers ou feixes de íons para comprimir minúsculas pastilhas de combustível, atingindo as altas temperaturas e pressões necessárias para a fusão em rajadas extremamente curtas. A National Ignition Facility utiliza esse método e foi o local do experimento histórico de equilíbrio em 2022.

Mais recentemente, surgiu um aumento no interesse por abordagens de fusão alternativas e híbridas, impulsionado em parte por investimentos do setor privado. Empresas como Commonwealth Fusion Systems, Helion Energy e TAE Technologies estão explorando dispositivos de fusão compactos, fusão por alvo magnetizado e configurações de campo reverso. Esses métodos visam simplificar o projeto de reatores, reduzir custos e acelerar o prazo de comercialização.

Uma barreira tecnológica crítica em todos os projetos de reatores é o desenvolvimento de materiais que possam suportar as condições extremas dentro de um reator de fusão. Essas condições incluem calor intenso, altos fluxos de nêutrons e fortes campos eletromagnéticos. As pesquisas atuais concentram-se em ligas avançadas, materiais à base de tungstênio e compósitos de carboneto de silício para garantir durabilidade e segurança a longo prazo. Esses materiais também devem manter sua integridade estrutural, minimizando a ativação por bombardeio de nêutrons, reduzindo os desafios de gerenciamento de resíduos a longo prazo.

Projetos emblemáticos lideram o movimento

Entre as colaborações internacionais mais significativas está o ITER, uma instalação multibilionária na França, apoiada por 35 nações. Quando estiver em operação, o ITER será o primeiro experimento de fusão a atingir ganho líquido de energia em larga escala . Embora atrasado e acima do orçamento, seu sucesso representaria um salto gigantesco na demonstração da viabilidade da energia de fusão. O ITER foi projetado para produzir 500 megawatts de energia de fusão a partir de 50 megawatts de potência de aquecimento de entrada, visando um ganho de energia dez vezes maior (Q = 10). No entanto, é importante observar que o ITER não gerará eletricidade; seu papel é provar que reações de fusão sustentadas podem ser alcançadas com um ganho líquido de energia no nível da reação.

O JET, o principal tokamak do Reino Unido, continua a fornecer dados valiosos para o ITER e futuros reatores. Nos últimos anos, o JET testou a mistura de combustível planejada para o ITER e alcançou resultados energéticos recordes, confirmando os fundamentos teóricos do projeto do ITER. Como um dos dispositivos de fusão mais antigos em operação, o JET continua sendo um pilar da ciência internacional da fusão e concluiu recentemente seus experimentos finais com deutério-trítio.

O National Ignition Facility, na Califórnia, tornou-se o padrão para a fusão por confinamento inercial. Seu sucesso em 2022 marcou um momento crucial para a área, provando que o ganho líquido de energia não é apenas um conceito teórico. O NIF utiliza 192 lasers potentes para fornecer mais de 2 megajoules de energia a uma minúscula pastilha de combustível, iniciando a fusão. Embora isso represente o ponto de equilíbrio científico (Q > 1 para o combustível), não leva em conta a energia total do sistema (Q_plant), que permanece muito abaixo da unidade devido à natureza intensiva em energia dos sistemas de laser.

O EAST ( Tokamak Supercondutor Avançado Experimental ) da China continua a estabelecer recordes de temperatura e confinamento de plasma, atingindo 160 milhões de graus Celsius por longos períodos. Este trabalho contribui diretamente para o objetivo de longo prazo da China de construir uma usina de fusão de demonstração nas próximas duas décadas. O Reator de Teste de Engenharia de Fusão da China (CFETR) está em desenvolvimento para servir como um protótipo de usina de energia, com geração de eletricidade planejada para a década de 2040.

O tokamak KSTAR da Coreia do Sul alcançou marcos impressionantes, incluindo a manutenção do plasma a mais de 100 milhões de graus por 30 segundos. Esta pesquisa contribui para a compreensão global das condições de fusão estáveis ​​e sustentadas. As inovações da KSTAR na tecnologia de ímãs supercondutores também estão sendo aplicadas em projetos internacionais.

O stellarator Wendelstein 7-X da Alemanha oferece insights cruciais sobre estratégias alternativas de confinamento magnético. Em 2023, ele alcançou durações de plasma mais longas e melhor retenção de energia, sugerindo que os stellarators podem ser um caminho viável para a energia de fusão contínua. O projeto está testando características de projeto para futuros reatores que requerem energia externa mínima para manter a estabilidade do plasma.

No setor privado, a Commonwealth Fusion Systems está desenvolvendo o SPARC , um tokamak compacto de alto campo, projetado para demonstrar ganho líquido de energia até o final da década de 2020. Seu sucessor, o ARC, pretende produzir eletricidade para a rede na década de 2030. A Helion Energy está construindo um gerador de fusão usando campos magnéticos pulsados ​​e prevê a operação comercial até 2030.

A TAE Technologies é pioneira em uma abordagem de configuração de campo reverso que visa produzir fusão com combustíveis não radioativos, como hidrogênio-boro, potencialmente oferecendo resultados ainda mais limpos. Em 2023, a Helion assinou um acordo com a Microsoft para fornecer eletricidade de fusão até 2028, uma meta ousada que ressalta o crescente interesse comercial.

Outros empreendimentos notáveis ​​incluem a General Fusion, no Canadá, que está desenvolvendo tecnologia de fusão de alvos magnetizados usando um revestimento de metal líquido, e a First Light Fusion, no Reino Unido, que utiliza impacto de projéteis em vez de lasers para atingir as condições de fusão. Esses esforços diversificados refletem o crescente dinamismo e espírito empreendedor no ecossistema de fusão. Startups como Zap Energy, Focused Energy e Kyoto Fusioneering estão contribuindo para esse impulso, investindo em projetos, materiais e sistemas integrados inovadores.

Juntos, esses projetos públicos e privados representam a tentativa mais ambiciosa da humanidade até o momento de domar a energia das estrelas. Cada sucesso impulsiona o objetivo de tornar a fusão não apenas possível, mas também prática, sustentável e acessível.

Desafios de viabilidade econômica e comercialização

Embora a fusão tenha um enorme potencial, torná-la uma fonte de energia comercialmente viável exige a superação de imensos desafios econômicos. A construção e a operação de reatores de fusão exigem um alto investimento de capital. Por exemplo, os custos projetados para o ITER ultrapassaram € 20 bilhões, e futuros reatores em escala comercial podem exigir investimentos semelhantes ou maiores.

Uma medida crítica de viabilidade econômica é o Custo Nivelado de Eletricidade (LCOE), que reflete o custo total de construção, operação e desativação de uma usina ao longo de sua vida útil, dividido pela eletricidade que ela produz.

As estimativas atuais para o custo nivelado de energia (LCOE) da fusão futura variam amplamente – desde competitivo com a fissão nuclear ou energias renováveis ​​até significativamente maior – dependendo do projeto e da escala de implantação. Reduzir a complexidade da construção, aumentar a durabilidade dos materiais e desenvolver reatores compactos e modulares são essenciais para reduzir os custos a níveis competitivos.

Empresas privadas apostam que projetos menores, mais rápidos e mais eficientes podem atingir um LCOE competitivo em relação à rede elétrica mais rapidamente. Apoio governamental, parcerias público-privadas e vias regulatórias claras serão fundamentais para acelerar a comercialização.

Gestão de resíduos e segurança ambiental

Os benefícios ambientais da fusão são um dos seus maiores atrativos. Ela não produz gases de efeito estufa durante a operação e evita os resíduos radioativos de longa duração associados à fissão. No entanto, a fusão gera resíduos radioativos na forma de componentes ativados do reator, principalmente devido ao bombardeio de nêutrons em materiais estruturais.

Esses resíduos geralmente apresentam níveis baixos a intermediários e meias-vidas muito mais curtas do que os produtos de fissão. Requerem proteção e descarte seguro, mas o volume e o nível de risco são ordens de magnitude menores do que em usinas de fissão. Os avanços na ciência dos materiais podem reduzir ainda mais a ativação, e alguns projetos propostos visam componentes totalmente recicláveis ​​ou substituíveis para simplificar o gerenciamento de resíduos.

Cronograma realista para implantação de fusão

Apesar dos avanços recentes, especialistas alertam que a implantação generalizada da energia de fusão levará tempo. O caminho das demonstrações científicas à energia comercial inclui várias etapas: reatores experimentais (como o ITER), usinas de demonstração (como o CFETR), protótipos de usinas de energia e, finalmente, a implantação em escala comercial.

A maioria dos especialistas prevê que a fusão contribuirá para a matriz energética global nas décadas de 2040 ou 2050. Esse cronograma poderá ser acelerado se empreendimentos privados atingirem suas metas ambiciosas. No entanto, o desenvolvimento de marcos regulatórios, a ampliação da produção de trítio, o treinamento de mão de obra especializada em fusão e a integração da fusão às redes existentes continuam sendo obstáculos substanciais.

A fusão pode não resolver a crise climática sozinha nas próximas duas décadas, mas tem o potencial de se tornar um importante pilar de energia limpa até meados do século, especialmente à medida que outras energias renováveis ​​amadurecem e as soluções de armazenamento em rede avançam.

Perspectivas da fusão

A energia de fusão representa uma das buscas científicas e de engenharia mais ousadas da humanidade. Das primeiras teorias sobre o poder estelar às recentes demonstrações de plasma de equilíbrio e sustentado, a jornada tem sido longa, complexa e inspiradora. Com uma constelação crescente de projetos públicos e privados expandindo as fronteiras da física, da ciência dos materiais e do design de reatores, a fusão está gradualmente passando do sonho à realidade.

As próximas décadas determinarão se a fusão nuclear cumprirá sua promessa: uma fonte de energia praticamente ilimitada, limpa e segura para o mundo. O progresso alcançado hoje estabelece as bases para um futuro energético mais brilhante e sustentável – impulsionado pelas mesmas reações que iluminam as estrelas.